100 великих загадок астрономии - Александр Викторович Волков

Когда звезда сжимается, то в непосредственной близости от нее сила ее притяжения возрастает до невероятной величины. Пространство вокруг такой звезды все сильнее искривляется. Как только ее радиус становится меньше радиуса Шварцшильда, пространство, окружающее ее, смыкается, становится непреодолимым барьером. Никакое излучение, никакие частицы не могут вырваться из этой гравитационной ловушки. Звезда отгораживается от всего мироздания. Она становится невидимой. Как говорят астрофизики, она скрывается за «горизонтом событий», который можно представить себе в виде воображаемой сферы, что окружает «застывшую звезду» – черную дыру, как ее станут именовать впоследствии (это название придумал в 1967 году американский физик Джон Арчибальд Уилер). Радиус горизонта событий никогда не уменьшается. Черная дыра может только расти.

Лишь в 1971 году была обнаружена первая предполагаемая черная дыра – Cygnus X-1 в созвездии Лебедя. В наши дни астрофизики убеждены, что в центральной части большинства галактик нашей Вселенной притаилась громадная черная дыра – словно неумолчное сердце этого многозвездного (многоклеточного, сказал бы мистик) организма. Есть она и в центре Млечного Пути. Но механизм зарождения подобных монстров пока еще не ясен.

Возможно, их зародыши появились уже в первые доли секунды после Большого взрыва. Их масса могла быть очень малой. Быть может, галактики с самого начала формировались вокруг этих неоднородностей? По другой гипотезе, черные дыры возникли в первые сто миллионов лет из случайных колебаний плотности в первородном газе. Быть может, черные дыры и звезды зарождаются практически по одному и тому же сценарию? Молекулярные облака сжимаются под действием гравитационных сил. Малые облака образуют звезды, а большие – громадные черные дыры. А может быть, сверхмассивные черные дыры зарождались в результате коллапса крупных звездных скоплений, возникших посреди галактик? А не образовались ли они при столкновениях первых галактик? Хотя подобные катастрофы все же редки, а количество черных дыр во Вселенной – поразительно велико.

Наблюдается интересная закономерность. Чем больше галактика, тем крупнее черная дыра, притаившаяся посредине, а значит, тем меньше шансов на зарождение новых звезд. Очевидно, черные дыры не позволяют галактикам беспредельно расширяться; они придают им форму – очерчивают их, подобно тому, как черная дыра смерти отчетливо очерчивает личность человека.

«Изучая галактики, мы убедились, что масса черных дыр, расположенных в их центральной части, пропорциональна массе их звезд, – отмечает французский астроном Эмануэль Дадди. – Но мы не понимаем, почему». Похоже, что возникновение звезд и галактик, с одной стороны, а также черных дыр – с другой, протекало параллельно, что удивляет исследователей. По-видимому, в раннюю эпоху существования нашей Вселенной в ней наблюдались какие-то процессы, которые и привели к одновременному развитию и галактик, и черных дыр.

И почему все-таки масса галактики непременно соотносится с массой расположенной посреди нее черной дыры? Откуда галактике известно, сколько в ней звезд? И откуда она знает, из скольких звезд должна состоять, чтобы уравновесить силу притяжения черной дыры? Как отмечает американский астроном Марк Дикинсон, «мы видим, что существует связь между черными дырами и галактиками, в которых они располагаются, но мы не понимаем, что обуславливает эту связь». Очевидно, черные дыры и галактики сообща развивались и каким-то образом «знали» друг о друге. Но как это происходило? На этот вопрос ученые пока не могут дать ответ.

В последние годы астрономы, используя космические обсерватории «Чандра» и «Спитцер», ведут перепись черных дыр. Как удалось установить, масса некоторых из них, расположенных в центре галактик, в миллиарды раз превышает массу Солнца. Так, в 2009 году американские астрономы Йенс Томас и Карл Гебхардт определили, что черная дыра в галактике М 87 весит в 6,4 миллиарда раз больше, чем Солнце. Теоретически масса подобных объектов может превышать 10 миллиардов солнечных масс.

Что же касается «классических» черных дыр, описанных Оппенгеймером и Снайдером, то есть объектов, которые образовались в результате коллапса звезды, то они гораздо меньше тех, что простерлись в центре галактик. Их невозможно наблюдать непосредственно. Лишь по косвенным признакам можно догадаться об их присутствии в той или иной части космоса.

Допустим, черная дыра притаилась рядом со звездой, образуя вместе с ней двойную звездную систему. Тогда она выдает себя мощным рентгеновским излучением, которое возникает, когда с поверхности звезды в ее сторону переливается, стремительно разогреваясь, поток вещества. Подобные двойные системы наблюдаются не только в нашем Млечном Пути, но и в соседних галактиках. Впрочем, астрономы, изучающие источники рентгеновского излучения, не всегда могут отличить нейтронную звезду от черной дыры.

Самая маленькая черная дыра была открыта в 2008 году. Ее диаметр составил всего 24 километра, а масса лишь в 3,8 раза превысила солнечную массу. Астроном из НАСА Николай Шапошников обнаружил ее в созвездии Жертвенника, на расстоянии 10 тысяч световых лет от Земли. Вместе со звездой по имени XTE J1650—500 она образует двойную звездную систему. По расчетам, минимальная масса черной дыры должна составлять примерно 1,7–2,7 солнечные массы.

Что находится в центре млечного пути?

Еще в начале ХХ века астрономы полагали, что Солнце пребывает неподалеку от центра некой космической туманности, по ту сторону которой простирается беззвездная пустота – «великий Тихий океан космоса». Лишь точные наблюдения за перемещениями звезд помогли американскому астроному Харлоу Шепли в 1918 году определить, где находится подлинный центр нашей Галактики. Как оказалось, он расположен позади темного облака, лежащего в созвездии Стрельца.

На фотографиях, сделанных в сантиметровом диапазоне, перед нами проступает некий расплывчатый сгусток шириной в несколько световых лет. Именно эти клубы ионизованного газа, окружающие центральную часть Галактики, мешали астрономам вглядеться в нее – подобно тому, как атмосферная рябь не дает наблюдать за отдаленными звездами с поверхности нашей планеты. «Рябь», заслоняющая от нас центр Галактики, рассеивается по мере того, как мы смещаемся в коротковолновую часть диапазона наблюдения. Мы все отчетливее видим облако, в котором газовые массы, кружа по спирали, устремляются куда-то в центр, где сияет яркое пятно.

С повышением разрешающей способности телескопов удалось точнее оценить размеры этого объекта, который поначалу представлялся лишь облаком, испускавшим мощное радиоизлучение. Начиная с 1992 года, астрономы исследовали в инфракрасном диапазоне окрестности Стрельца А* (Sagittarius A*, или Sgr A*). На сделанных фотографиях (инфракрасное излучение в определенном диапазоне может пробиться сквозь облачную завесу) отчетливо видны стайки звезд, кружащие возле Sgr A*. Их траекторию можно определить, а значит, и вычислить ту неимоверную силу, что притягивает их к себе. Эта сила так велика, что даже скопления нейтронных звезд было бы недостаточно, чтобы создать такое гравитационное поле.

Изображение звездного кластера Sgr A* в центре нашей Галактики

Наблюдения засвидетельствовали, что там, в центральной части Галактики, сосредоточена громадная масса вещества. Объяснить это можно было лишь наличием там черной дыры. Первоначально ее размеры оценили примерно в 2,7 миллиона солнечных масс. Измерения в инфракрасном и рентгеновском диапазоне показали, что этот объект поразительно быстро вращается.

Позднее, тщательно изучив траектории и скорость движения расположенных поблизости звезд, астрономы определили, что там, на участке диаметром «всего» 12 миллионов километров, простирается черная дыра, чья масса ориентировочно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца.

Итак, теперь нам известно, что посредине нашей Галактики, на расстоянии 26 тысяч световых лет от Земли, расположена огромная черная дыра Стрелец А* – «ненасытная звездная смерть», пожирающая все, что приблизится к ней. Там, на небольшом участке пространства, скопилась такая масса вещества, что его хватило бы на миллионы звезд. И ведь когда-то многое в этом черном чреве Галактики было звездами. Прожив свою блистательную жизнь, все они исчезли в этом «мире ином». Уже первые наблюдения за этой областью Млечного Пути показали, насколько неуютно жилось бы там, если бы наше Солнце и впрямь пребывало в центре Галактики. Там, где одна катастрофа спешит настичь другую, где воцарился хаос и где гибель звезд – такое же будничное событие, как и гибель солдат на фронте. Там, где потоки космического излучения выжигают поверхность всех еще находящихся там планет. Нет, слово «неуютно» здесь не вполне подходит – «невозможно»!